Detectan la tormenta eléctrica más potente registrada hasta la fecha

Mientras las nubes se acumulaban sobre la ciudad de Filadelfia en 1752, Benjamin Franklin se quedó fuera para hacer un sencillo experimento con una cometa y demostró la naturaleza eléctrica de los rayos. Ahora, más de 250 años después, los científicos han descubierto un secreto impresionante sobre el asombroso poder de las tormentas eléctricas.

Con la ayuda de partículas cargadas que se originan en el espacio, un equipo de la India ha medido por primera vez y de forma precisa las propiedades eléctricas de una nube de tormenta gigante, determinando que esta monstruosidad contenía 10 veces más energía que cualquier tormenta investigada anteriormente. Además de haber descubierto un nuevo vínculo entre fenómenos cósmicos y terrestres, los hallazgos podrían ayudar a resolver un misterio de 25 años de la física de altas energías.

Desde 2001, los físicos de Udagamandalam, India, han empleado el telescopio GRAPES-3 (Gamma Ray Astronomy PeV EnergieS phase-3) para supervisar partículas subatómicas denominadas muones. En la Tierra llueven cascadas de estas partículas naturales cuando los rayos cósmicos del universo distante llegan a nuestra atmósfera superior.

Lo intrigante es que el instrumental sensible del GRAPES-3 solía detectar ligeras disminuciones de intensidad de las lluvias de muones entre abril y junio y de nuevo entre septiembre y noviembre, justo cuando la región subtropical registra el mayor nivel de precipitaciones.

"Para nosotros fue más un episodio divertido que algo serio", afirma Sunil Gupta, coautor del estudio y físico de altas energías en el Instituto Tata de Investigación Fundamental en Mumbai, India, cuyo equipo describió su labor el mes pasado en Physical Review Letters. "Estudiábamos rayos cósmicos de altas energías y el espacio interplanetario, pero no tanto las tormentas eléctricas".

Una energía enorme

Los muones tienen carga negativa, lo que significa que sus trayectorias se ven distorsionadas por campos eléctricos. Gupta se preguntaba si esa propiedad podría emplearse para calcular la cantidad de energía que contenían las nubes de tormenta.

En 1929, el nobel de física Charles Thomson Rees Wilson midió el campo eléctrico del interior de una nube de tormenta y descubrió que era de 500.000 voltios por metro, una cantidad sorprendentemente grande. Esto significaba que las tormentas, que pueden tener una extensión de kilómetros, deberían tener potenciales eléctricos totales enormes de casi un gigavoltio, o el equivalente a casi mil millones de pilas AA.

Pero para medir el voltaje de un objeto se suelen tener que colocar dos cables en cada extremo, y nadie había averiguado cómo hacerlo en algo tan grande y amorfo como una nube. Los experimentos con aviones y globos, que han volado a través de tormentas eléctricas y tomado lecturas en varias ubicaciones, determinaron potenciales eléctricos de decenas de millones de voltios. Antes, la mayor tormenta con el mayor voltaje documentado era de 130 millones de voltios.

El coautor del estudio Balakrishnan Hariharan diseñó un modelo que determinaba lo potente que debía ser un campo eléctrico para alterar la cantidad de muones detectados en el GRAPES-3. Al retroceder, el equipo pudo emplear sus observaciones de muones para estimar el campo eléctrico del interior de las nubes sobre el experimento.

En los datos del GRAPES-3, los investigadores observaron los efectos eléctricos de 184 tormentas eléctricas en el transcurso de tres años. Los muones indicaban que una tormenta monstruosa en particular, que apareció el 1 de diciembre de 2014, contuvo durante un breve periodo un potencial eléctrico de casi 1,8 gigavoltios. Según Gupta, es la energía suficiente para suministrar electricidad a toda la ciudad de Nueva York durante media hora.

"Alcanzar voltajes tan altos en el suelo es casi imposible", añade. "Pero la naturaleza parece saber cómo hacerlo casi sin esfuerzo".

Una descarga peligrosa

Como las mediciones basadas en muones pueden analizar grandes áreas de nubes, son más precisas que los experimentos en avión o en globo. Eso significa que es probable que los datos anteriores fueran infraestimaciones y muchas tormentas eléctricas deberían tener miles de millones de voltios de energía en su interior. Esto, a su vez, podría aclarar los orígenes de un misterio de la física atmosférica.

En 1994, el Observatorio Compton de Rayos Gamma de la NASA, que se construyó para estudiar los potentes destellos de luz que tenían lugar en galaxias distantes denominados brotes de rayos gamma, detectó erupciones de altas energías procedentes de la atmósfera terrestre. Desde entonces, nadie ha podido aportar una explicación completa de por qué nuestro planeta debería producir fenómenos similares a unos de los más potentes del cosmos.

Aunque se sospecha que los rayos podrían desempeñar un papel, las energías de las nubes de tormenta observadas en experimentos anteriores no eran lo bastante grandes como para explicar los destellos de ratos gamma.

Ahora, las mediciones de gigavoltios de GRAPES-3 son las primeras que sugieren que dichas tormentas contienen suficiente potencia como para producir este efecto enigmático. Gupta afirma que el equipo querría incluir un detector de rayos gamma en su instrumental en el futuro para respaldar este vínculo. También les gustaría estudiar la rapidez con la que el voltaje de una tormenta eléctrica se disipa a través de los impactos de rayos.

"Queremos buscar la descarga", afirma. "Porque eso es lo que provoca la mayor parte de los daños".

Por ahora, las mediciones existentes ya han impresionado a otros investigadores.

"Es una aplicación que nunca se le había ocurrido a nadie", afirma Michael Cherry, que estudia rayos cósmicos de altas energías y rayos gamma en la Universidad del Estado de Luisiana en Baton Rouge y que no participó en este estudio.

Añade que la mayoría de los investigadores de la comunidad se habrían mostrado escépticos ante la hipótesis de que los rayos cósmicos potentes se vieran afectados por rayos comparativamente mundanos. Pero los resultados sugieren que los rayos son unos de los aceleradores de partículas más potentes a los que tienen acceso los físicos en la Tierra.

"Estos procesos de altas energías no deben ser estudiados en una fuente exótica como un agujero negro distante o una supernova", afirma Cherry. "Podemos estudiarlos más de cerca mediante los rayos".